Die Stadt liegt am östlichen Rande der Oberrheinebene an den Hängen des westlichen Odenwaldes an der Bergstraße. Die nächsten größeren Städte sind Darmstadt (etwa 22 km nördlich), Heidelberg (etwa 35 km südlich), Worms (etwa 18 km westlich) und Mannheim (etwa 32 km südwestlich). Die Kreisstadt Heppenheim liegt etwa 5 km südlich.

Durch Bensheim fließt die aus dem Lautertal aus östlicher Richtung kommende Lauter, die ab dem Rinnentor Winkelbach heißt. Im Süden der Stadt fließt der ebenfalls aus dem Odenwald (Meerbachtal mit Zell und Gronau) kommende Meerbach. Weitgehend kanalisiert und erst ab dem westlichen Stadtrand an der Oberfläche verläuft der von der Lauter abgezweigte Neue Graben. Im Nordwesten an der A5 befindet sich der durch den Autobahnbau entstandene 7,7 ha große Bensheimer Badesee, der heute der Naherholung dient.

Bensheim, eine Stadt liegt in der Nähe mehrerer Nachbarorte. Hier sind einige davon:

Heppenheim (Bergstraße): Etwa 5 Kilometer entfernt von Bensheim.
Lorsch: 6 Kilometer entfernt.
Zwingenberg: In etwa 6 Kilometer Entfernung.
Einhausen: Ca. 7 Kilometer entfernt.
Lautertal: Etwa 8 Kilometer entfernt.